Diagrama de procedimiento experimental para la evaluación de la transferencia de calor y el consumo de energía específica en un biorreactor con agitación hidráulica. A continuación se presenta el artículo científico: “Transferencia de calor y consumo de energía en un biorreactor con agitación hidráulica”.
Tipos de biorreactores agitados
Agitación
5 El sistema de recirculación con agitador hidráulico o bomba consiste en crear un flujo de recirculación que mezcla el digestato. El sustrato se retira del interior del biorreactor y se reintroduce a través de la línea de recirculación y la bomba (Bachmann, 2013).
Control de temperatura
Los agitadores mecánicos en los biorreactores suelen ser hélices o paletas que mezclan el material con su movimiento giratorio. Los mezcladores mecánicos son accionados por motores eléctricos, donde la velocidad del rotor depende de la concentración del sustrato.
Transferencia de calor
- Formas de transferencia de calor
- Coeficiente global de transferencia de calor
- Balance de energía
- Correlación del número de Nusselt
- Método gráfico de Wilson
- Modelo de regresión no lineal ponderado
- Método de Monte Carlo en transferencia de calor
Donde U es el coeficiente de transferencia de calor global (W m-2 K-1), hi es el coeficiente de transferencia de calor interno local (W m-2 K-1), w es el espesor de la pared que separa los dos fluidos (m ) , kw es la conductividad térmica del material de la pared (W m-1 K-1) y ho es el coeficiente de transferencia de calor externo local (W m-2 K-1). Donde h es el coeficiente local de transferencia de calor (W m-2 K-1), Lc es la longitud característica (m) que puede ser igual al diámetro del tanque donde se realiza la transferencia de calor y kf es la conductividad térmica de el líquido (W m-1 K-1).
Transferencia de calor en biorreactores agitados
Biorreactores agitados mecánicamente
En este último trabajo incorporaron un calentador eléctrico dentro del biorreactor, para simular la generación de energía por reacciones bioquímicas, mientras que la camisa térmica de recirculación se utilizó para el enfriamiento (manteniendo una diferencia constante entre las temperaturas de entrada y salida). diferencia de temperatura para calcular el coeficiente global de transferencia de calor. La Tabla 2.1 muestra los coeficientes generales de transferencia de calor obtenidos para varios reactores agitados. En uno de los primeros trabajos en presentar una correlación en términos adimensionales para predecir coeficientes de transferencia de calor en tanques agitados, fue realizado por Chilton et al. 1944), donde se llevaron a cabo experimentos de calentamiento y enfriamiento utilizando una bobina helicoidal.
Posteriormente se realizó otro estudio para conocer qué efecto tienen ciertos factores como el tipo, tamaño, posición y velocidad de los rotores en la transferencia de calor de un tanque agitado (Askew y Beckmann, 1965). 20 de calor en biorreactores y tanques agitados, aunque esta técnica implica un tiempo de cálculo extenso, el enfoque de estos estudios fue bastante aceptable. Por ejemplo, estudios recientes propusieron un modelo para predecir el coeficiente de transferencia de calor en tanques agitados utilizando dinámica de fluidos computacional, este modelo implementado mostró buena calidad, además de ser cuantitativamente aceptable en el caso de obtener la correlación del número de Nusselt y las características de flujo. de un tanque agitado mecánicamente (Daza et al., 2019; Prada y Nunhez, 2017).
Biorreactores sacudidos orbitalmente
Biorreactores con agitación hidráulica
Consumo de potencia en biorreactores anaeróbicos
Método calorimétrico
El método calorimétrico se basa en medir la temperatura interna de un reactor. Una configuración experimental típica implica colocar varios sensores de temperatura en el fluido del proceso y promediar la temperatura para resolver la ecuación de balance de energía formulada originalmente (Ascanio et al., 2004). El método calorimétrico consiste en estimar la energía consumida mediante un balance energético y un análisis transitorio (Oosterhuis y Kossen, . 1981).
Literatura citada
Hydrodynamics and mass transfer in bubble column, conventional air lift, mixed air lift and stirred tank bioreactors using viscous fluid: a comparative study. Effects of stirring vessel design on energy consumption and liquid phase stirring time. Reducing mixing energy consumption in anaerobic digestion of corn straw by adjusting rheological properties.
Measurement of heat transfer coefficients in single-use stirred bioreactors with hydrogen peroxide decomposition. Comparison of the torque method and the temperature method for determining energy consumption in single-use shaking bioreactors. Uncertainty analysis for experimental evaluation of heat transfer correlation using a combination of the Wilson plot method and the Monte Carlo technique.
Resumen
Introducción
Un estudio reciente encontró un consumo de energía de 0,1 y 1 kW m-3 en biorreactores de columna con agitación burbujeante y con agitación mecánica, respectivamente (de Jesus, Moreira Neto, & Maciel Filho, 2017). En un biorreactor agitado mecánicamente equipado con tres rotores, se informó un consumo de energía de 1 a 2,5 kW m-3 (Xie et al., 2014). El consumo de energía en recipientes agitados se puede medir utilizando vatímetros, dinamómetros, torquímetros y métodos calorimétricos (Ascanio, Castro y Galindo, 2004).
En la literatura existente, hay poca información sobre la transferencia de calor y el consumo de energía volumétrica en biorreactores agitados por bomba, también conocidos como agitación hidráulica. Además de que la estimación de coeficientes de transferencia de calor y consumo específico de energía constituye una parte fundamental en el modelado, evaluación del desempeño y diseño de biorreactores con agitación hidráulica. Por este motivo, se propone evaluar la influencia que tienen las condiciones hidrodinámicas del fluido en la transferencia de calor y el consumo de energía en un biorreactor con sistema de agitación hidráulica.
Materiales y métodos
Arreglo experimental
La estrecha relación que existe entre el consumo de energía y los coeficientes de transferencia de calor y masa es la principal justificación del estudio, y también constituye un parámetro importante en el escalado de biorreactores. 37 datos experimentales utilizando el método calorimétrico, y luego se obtuvo una correlación entre el consumo de energía específico y el flujo de recirculación. El material de construcción es acero inoxidable 316 de 1,8 mm de espesor y aislamiento térmico de fibra de vidrio de 2,5 cm de espesor.
Los elementos del sistema de control de temperatura, registro de datos y recirculación se muestran en el diagrama de instrumentación (Figura 3.3). El sistema de mezcla consta de una bomba de circulación centrífuga de 0,75 kW controlada por un convertidor de frecuencia modelo F-drive. La corriente de recirculación (1) y (2) se hizo pasar a través de una tubería de cloruro de polivinilo (PVC) de alta presión con un diámetro interior de 3,175 y 2,54 cm, respectivamente.
Evaluación de la transferencia de calor
Flujo de recirculación (Q), temperatura del líquido inicial (Tf1), temperatura del líquido final (Tf2) y duración del experimento (te) para cada frecuencia de funcionamiento (f) de la bomba de recirculación. La temperatura simulada (Tfsim) se obtuvo resolviendo numéricamente la ecuación (3.2) con el método Dormand-Price de orden 4, utilizando la función "ode45" de GNU Octave. Por definición del número de Nusselt (Nu=hiD/kf), el coeficiente de transferencia de calor por convección interna se puede expresar en el formato de la ecuación (3.6).
El número de Nusselt en la ecuación (3.7) se puede expresar en términos del número de Reynolds y Prandtl que se muestra en la ecuación (3.4). Al linealizar la suma de las resistencias térmicas que se muestran con la ecuación (3.7), la resistencia térmica general se puede expresar en el formato lineal que se muestra en la ecuación (3.8). La simulación de Monte Carlo se combinó con el método de mínimos cuadrados ponderados para estimar los parámetros de n, C1 y C2 a partir de la Ecuación (3.11) (Sieres & Campo, 2018).
Consumo de potencia específico
Resultados y discusión
Estimación del coeficiente global de transferencia de calor
La Figura 3.6 muestra que el valor del coeficiente global de transferencia de calor está en el rango de 50 a 305 W m-2 K-1.
Estimación de la correlación de Nusselt
Además de la estimación de parámetros mediante el método de Monte Carlo, se realizó un análisis de incertidumbre, en el que se muestran las distribuciones de salida de los parámetros estimados. También se obtuvo una matriz de correlación, donde los parámetros C1 y n tuvieron la mayor correlación (0,9), mientras que la correlación entre n y C2 fue de 0,75, y entre C1 y C2 fue de 0,47. Las puntuaciones y rangos percentiles para cada parámetro se muestran en la Tabla 3.2. 48 Resultados de los parámetros n, C1, C2 y C estimados mediante simulación Monte Carlo e intervalos con percentiles de las distribuciones obtenidas.
Resultados de los parámetros n, C1, C2y C estimados mediante simulación Monte Carlo e intervalos obtenidos por percentiles de las distribuciones. Para estimar los parámetros C1 y C2 se utilizó el valor de 0.596 del parámetro n, estimado con el método de Monte Carlo. Se observó que, en este enfoque, el error estándar del parámetro estimado C1 se redujo de 0,37 a 0,24, mientras que se mejoró el ajuste general de la regresión.
Consumo de potencia volumétrico
En tanques agitados mecánicamente donde el fluido de proceso es de tipo Newtoniano, los valores del parámetro n suelen ser 2/3, mientras que el parámetro C varía de 0,3 a 1,5, correspondiendo los valores más altos generalmente a tanques equipados con deflectores y donde el La configuración del tanque no es estándar (Mohan et al., 1992). El valor del parámetro C obtenido en este trabajo es más cercano al obtenido en tanques agitados mecánicamente sin deflectores y configuración estándar. En biorreactores agitados mecánicamente, con palas tipo Rushton y palas curvas, se han encontrado consumos de energía específicos en el rango de 700 a 2700 W m-3 (Devi & Kumar, 2017), lo que representa un consumo de energía significativamente mayor en comparación con los biorreactores bombeados. biorreactores. sistema de recirculación.
En otro trabajo donde se estudiaron biorreactores agitados, la potencia resultante fue P~N2.5 (Kato, Peter, Akgün, & Büchs, 2004). Por otro lado, la correlación entre el consumo de energía volumétrica y el flujo de recirculación de fluidos en este trabajo fue Pv≈Q2.06.
Conclusiones
El consumo de energía depende de la velocidad de funcionamiento de la bomba de recirculación. La relación entre el consumo de energía volumétrica y el flujo de recirculación se puede expresar como Pv≈Q2.06.
Nomenclatura
Tf1, Tf2 Temperatura del fluido inicial y final (K) Tfsim Temperatura del fluido simulada (K) Tfexp Temperatura del fluido medida (K) Ttj Temperatura de la camisa térmica (K) Uh Coeficiente general de transferencia de calor V Velocidad de agitación en m/s (V=Q/Ah ) Vo Volumen de funcionamiento del biorreactor (L). Vi La relación entre la viscosidad en la pared del tanque y la viscosidad aparente del fluido agitado.
Agradecimientos
Aunque se han reportado modelos de transferencia de calor en biorreactores agitados hidráulicamente, no se han presentado correlaciones numéricas de Nusselt en este tipo de sistema. Se puede determinar una correlación de Nusselt mediante el método gráfico de Wilson, a partir de la resistencia general a la transferencia de calor calculada en un biorreactor agitado. El método de Monte Carlo en combinación con un modelo de regresión no lineal ponderado es útil para estimar los parámetros de correlación de Nusselt.
En el método gráfico de Wilson y el método de Monte Carlo se compararon para la estimación de parámetros de correlación de Nusselt en un biorreactor de 500 L con agitación hidráulica. Con la simulación Monte Carlo fue posible mejorar el ajuste de la correlación de Nusselt con los datos experimentales. Además, un estudio que utiliza dinámica de fluidos computacional sobre la transferencia de calor se puede comparar y validar con la correlación de Nusselt presentada en este trabajo.
